package binaryTree.avl;

import java.io.FileNotFoundException;
import java.util.ArrayList;

import map.CandyMap;
import util.FileOperation;
/**
 * 
 * @Title: CandyAVLTree.java 
 * @Package binaryTree.avl 
 * @Description: 平衡二分搜索树
 * @author CandyWall   
 * @date 2021年1月11日 下午1:56:03 
 * @version V1.0
 */
public class CandyAVLTree<K extends Comparable<K>, V> {
    private class Node {
        public K key;
        public V value;
        
        public Node left, right;
        
        public int height;
        
        public Node(K key, V value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.left = null;
            this.right = null;
            this.height = 1;
        }
    }
    
    private Node root;
    private int size;
    
    public CandyAVLTree() {
        root = null;
        size = 0;
    }

    public void add(K key, V value) {
        root = add(root, key, value);
    }
    // 向以node为根的二分搜索树中插入元素(key, value)，递归算法
    // 返回插入新节点后的二分搜索树的根
    private Node add(Node node, K key, V value) {
        if(node == null) {
            size++;
            return new Node(key, value);
        }
        if(key.compareTo(node.key) < 0) {
            node.left = add(node.left, key, value);
        }
        else if(key.compareTo(node.key) > 0) {
            node.right = add(node.right, key, value);
        }
        else { // key.compareTo(node.key) == 0
            node.value = value;
        }
        
        // 返回平衡维护后的节点
        return getBalanceNode(node);
    }
    
    private Node getBalanceNode(Node node) {
        if(node == null) {
            return null;
        }
        // 插入或删除新节点后需要更新节点的height
        node.height = 1 + Math.max(getHeight(node.left), getHeight(node.right));
        
        // 计算平衡因子
        int balaceFactor = getBalaceFactor(node);
        /*if(balaceFactor > 1) {
            System.out.println("以当前节点（"+ node.key +"）为根的二分搜索树不平衡，平衡因子为：" + balaceFactor);
        }*/
        
        // 平衡维护
        // LL
        if(balaceFactor > 1 && getBalaceFactor(node.left) >= 0) {
            return rightRotate(node);
        } 
        // RR
        else if(balaceFactor < -1 && getBalaceFactor(node.right) <= 0) {
            return leftRotate(node);
        }
        // LR
        else if(balaceFactor > 1 && getBalaceFactor(node.left) < 0) {
            return leftRightRotate(node);
        }
        // RL
        else if(balaceFactor < -1 && getBalaceFactor(node.right) > 0) {
            return rightLeftRotate(node);
        }
        return node;
    }
    
    // 对节点y进行向右旋转操作，返回旋转后新的根节点x
    //       y                        x
    //      / \                     /   \
    //     x  T4    向右旋转（y）                   z     y
    //    / \     ------------>   / \   / \
    //   z  T3                   T1 T2 T3 T4
    //  / \
    // T1 T2
    private Node rightRotate(Node y) {
        // 节点引用暂存
        Node x = y.left;
        Node T3 = x.right;
        // 向右旋转过程
        x.right = y;
        y.left = T3;
        
        // 更新height值
        y.height = Math.max(getHeight(y.left), getHeight(y.right)) + 1;
        x.height = Math.max(getHeight(x.left), y.height) + 1;
        
        return x;
    }
    
    // 对节点y进行向左旋转操作，返回旋转后新的根节点x
    //    y                        x
    //   / \                     /   \
    //  T1  x    向左旋转（y）                    y     z
    //     / \ ------------>   /  \   / \
    //    T2  z               T1  T2 T3 T4
    //       / \
    //      T3 T4
    private Node leftRotate(Node y) {
        // 节点引用暂存
        Node x = y.right;
        Node T2 = x.left;
        // 向右旋转过程
        x.left = y;
        y.right = T2;
        
        // 更新height值
        y.height = Math.max(getHeight(y.left), getHeight(y.right)) + 1;
        x.height = Math.max(y.height, getHeight(x.right)) + 1;
        
        return x;
    }
    
    // 先对节点x进行左旋转，再对y进行向右旋转操作，返回旋转后新的根节点z
    //       y                       y                             z   
    //      / \                     / \                          /   \ 
    //     x  T4    向左旋转（x）                   z  T4        向右旋转（y）                     x     y
    //    / \     ------------>   / \        -------------->   /  \   / \    
    //   T1  z                   x  T3                        T1  T2 T3 T4   
    //      / \                 / \  
    //     T2 T3               T1 T2
    private Node leftRightRotate(Node y) {
        y.left = leftRotate(y.left);
        return rightRotate(y);
    }
    
    // 先对节点x进行右旋转，再对y进行向左旋转操作，返回旋转后新的根节点z
    //     y                         y                             z   
    //    / \                       / \                          /   \ 
    //   T1  x      向右旋转（x）                  T1  z        向左旋转（y）                       y     x
    //      / \   ------------>       / \    -------------->   /  \   / \    
    //     z  T4                     T2  x                    T1  T2 T3 T4   
    //    / \                           / \ 
    //   T2 T3                         T3 T4
    private Node rightLeftRotate(Node y) {
        y.right = rightRotate(y.right);
        return leftRotate(y);
    }

    public V remove(K key) {
        Node node = getNode(root, key);
        if(node == null) {
            return null;
        }
        root = remove(root, key);
        return node.value;
    }
    
    // 删除掉以node为根的二分搜索树中键为key的节点，递归算法
    // 返回删除节点后新的二分搜索树的根
    private Node remove(Node node, K key) {
        if(node == null) {
            return null;
        }
        Node retNode;
        if(key.compareTo(node.key) < 0) {
            node.left = remove(node.left, key);
            retNode = node;
        }
        else if(key.compareTo(node.key) > 0) {
            node.right = remove(node.right, key);
            retNode = node;
        } else {
            // 如果左子树为空
            if(node.left == null) {
                Node rightNode = node.right;
                node.right = null;
                size--;
                retNode = rightNode;
            }
            // 如果右子树为空
            else if(node.right == null) {
                Node leftNode = node.left;
                node.left = null;
                size--;
                retNode = leftNode;
            } else {
                // 如果左右子树都不为空
                // 寻找当前节点右子树的最小的元素所在的节点
                Node successor = findMin(node.right);
                // 这里有个小bug，removeMin之后也需要平衡维护的，因此有两种解决方案：
                // 1、在removeMin()方法中返回删除后的根节点之前进行一下平衡维护
                // successor.right = removeMin(node.right);
                // 2、再递归调用一下remove()方法本身
                successor.right = remove(node.right, successor.key);
                successor.left = node.left;
                node.left = node.right = null;
                retNode = successor;
            }
        }
        
        // 返回平衡维护后的节点
        return getBalanceNode(retNode);
    }
    
    // 删除掉以node为根的二分搜索树中的最小节点
    private Node removeMin(Node node) {
        // 如果已经是最左边的元素了
        if(node == null) {
            Node rightNode = node.right;
            node.right = null;
            size--;
            return rightNode;
        }
        // 不是最左边的元素，继续去左子树删
        node.left = removeMin(node.left);
        return getBalanceNode(node);
    }
    
    // 寻找以node为根的二分搜索树的最小元素：递归实现
    private Node findMin(Node node) {
        if(node.left == null) {
            return node;
        }
        return findMin(node.left);
    }

    public boolean contains(K key) {
        return getNode(root, key) != null;
    }

    public V get(K key) {
        Node node = getNode(root, key);
        return node == null ? null : node.value;
    }
    
    private Node getNode(Node node, K key) {
        if(node == null) {
            return null;
        }
        if(key.compareTo(node.key) < 0) {
            return getNode(node.left, key);
        } else if(key.compareTo(node.key) > 0) {
            return getNode(node.right, key);
        } else {
            return node;
        }
    }

    public void set(K key, V newValue) {
        Node node = getNode(root, key);
        if(node == null) {
            throw new RuntimeException("待修改的元素不存在");
        }
        node.value = newValue;
    }

    public int getSize() {
        return size;
    }
    
    // 获取节点node的高度
    private int getHeight(Node node) {
        if(node == null) {
            return 0;
        }
        return node.height;
    }
    
    // 获取节点node的平衡因子
    private int getBalaceFactor(Node node) {
        if(node == null) {
            return 0;
        }
        return getHeight(node.left) - getHeight(node.right);
    }

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }
    
    // 判断当前二叉树是不是一个二分搜索树
    public boolean isBST() {
        ArrayList<K> keys = new ArrayList<K>();
        inOrder(root, keys);
        for(int i = 1; i < keys.size(); i++) {
            if(keys.get(i - 1).compareTo(keys.get(i)) > 0) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
    
    // 判断该二叉树是否是一棵平衡二叉树
    public boolean isBalanced() {
        return isBalanced(root);
    }
    
    // 判断以node为根的二叉树是否是一棵平衡二叉树，递归算法
    private boolean isBalanced(Node node) {
        if(node == null) {
            return true;
        }
        if(Math.abs(getBalaceFactor(node)) > 1) {
            return false;
        } 
        return isBalanced(node.left) && isBalanced(node.right);
    }

    private void inOrder(Node node, ArrayList<K> keys) {
        if(node == null) {
            return;
        }
        inOrder(node.left, keys);
        keys.add(node.key);
        inOrder(node.right, keys);
    }

    public void printMap() {
        inOrderPrint(root);
    }
    
    // 中序遍历打印映射中的键和值
    private void inOrderPrint(Node node) {
        if(node == null) {
            return;
        }
        inOrderPrint(node.left);
        System.out.println("key=" + node.key + ", value=" + node.value);
        inOrderPrint(node.right);
    }
    
    // 完成词频统计，返回每个单词和对应出现的次数
    public static CandyAVLTree<String, Integer> wordCount(ArrayList<String> words) {
        CandyAVLTree<String, Integer> wordCountMap = new CandyAVLTree();
        for(String word : words) {
            // 如果映射中不包含这个单词，说明这个单词第1次出现，
            // 那么将这个单词添加到映射中
            if(!wordCountMap.contains(word)) {
                wordCountMap.add(word, 1);
            } else {
                wordCountMap.set(word, wordCountMap.get(word) + 1);
            }
        }
        return wordCountMap;
    }
    
    // 从文件中读取到所有的单词，并以ArrayList<String>方式返回
    private static ArrayList<String> readWordsFromFile(String filePath) {
        ArrayList<String> words = new ArrayList<>();
        if(!FileOperation.readFile(filePath, words)) {
            // 加载失败
            try {
                throw new FileNotFoundException("找不到文件");
            } catch (FileNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } 
        return words;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> words = readWordsFromFile("testData/pride-and-prejudice.txt");
        CandyAVLTree<String, Integer> wordCountMap = wordCount(words);
        // wordCountMap.printMap();
        System.out.println("单词总数：" + words.size());
        System.out.println("不同单词数量：" + wordCountMap.getSize());
        System.out.println("pride出现的次数：" + wordCountMap.get("pride"));
        System.out.println("prejudice出现的次数：" + wordCountMap.get("prejudice"));
        System.out.println("是否是一棵二分搜索树：" + wordCountMap.isBST());
        System.out.println("是否是一棵平衡二叉树：" + wordCountMap.isBalanced());
        
        for(String word : words) {
            wordCountMap.remove(word);
            if(!wordCountMap.isBST() || !wordCountMap.isBalanced()) {
                throw new RuntimeException("remove过程中二叉树不再是二分搜索树或者平衡二叉树");
            }
        }
        System.out.println("remove过程正确！");
    }
}
